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实验室设备:如何选购原子力显微镜?

2013-10-16  发布者:admin 

随着生物学的发展,原子探针显微镜得到了越来越多的应用和发展,如细胞动态观察、样品的三维成像等。那么,如何选购一台原子探针显微镜呢?

选购步骤可从以下几方面着手:

1.了解原子探针显微镜的基本原理

扫描隧道显微镜的原理

扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理,通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

根据量子力学原理,由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限于金属表面之内,电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外,电子云密度呈指数衰减,衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针,将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近(距离<1nm)时,两者的电子云略有重叠,如图1所示。若在两极间加上电压U,在电场作用下,电子就会穿过两个电极之间的势垒,通过电子云的狭窄通道流动,从一极流向另一极,形成隧道电流I。隧道电流I的大小与针尖和样品间的距离s以及样品表面平均势垒的高度有关,其关系式中A为常量。如果s以10-1nm为单位,以eV为单位,则在真空条件下,A≈1,

由此可见,隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离s极为敏感,如果s减小0.1nm,隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时,即使其表面只有原子尺度的起伏,也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机,在屏幕上即显示出样品的表面形貌。

原子力显微镜的基本工作原理

AFM系统主要由以下几部分组成:(1)带针尖的力敏感元件;(2)力敏感元件运动检测装置;(3)监控力敏感元件运动的反馈回路;(4)扫描系统(一般使用压电陶瓷),其作用是使样品进行扫描运动;(5)图象采集及显示;(6)图象处理系统。其中关键的是前两部分。

AFM的工作原理如图2所示。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一微小的针尖,针尖与样品表面轻轻接触。使针尖在样品的表面上扫描,由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(10-8-10-6N),原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现。如果探针和样品间有力的作用,悬臂将会弯曲。为检测悬臂的微小弯曲量(位移),采用激光照射悬臂的尖端,四象限探测器就可检测出悬臂的偏转。如果控制这种力在扫描过程中保持恒定,则微悬臂将在垂直于样品表面的方向上起伏运动,利用隧道电流检测法或光学检测方法,测定微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而可以获得样品表面形貌的信息。

根据AFM所测力的性质的不同,其工作模式及微悬臂运动的检测方法将有所不同。所谓工作模式,主要是指AFM工作时微悬臂运动所处的状态,主要可分为两种。一种为准静态工作模式,此时针尖与样品的相互作用力较强,微悬臂有较大形变,可用隧道电流法,电容及激光束偏转探测法等直接检测此形变。处于该模式,针尖与样品的间距小于0.03nm,基本上是紧密接触的(故又称接触模式)。

原子力显微镜的基本工作原理图

由于此时二者电子云发生重叠,导致仪器的分辨率极高,可达原子级水平。运用此种模式可测量原子间的相互作用力,所测最小力可达10-9N。对于针尖与样品间的摩擦力,也可用该模式进行测量,这时最小检测极限可达10-10N。根据反馈方式的不同,该模式又可分成恒力模式和形变变化模式两种。前者反馈信号控制样品上下运动,使得微悬臂的形变及其与样品间的相互作用力保持恒定;后者样品只进行扫描运动,反馈线路控制使得微悬臂随表面的起伏而上下运动。此时,由于反馈直接控制隧道针尖,导致仪器工作稳定,但其数据的解释要困难一些。

上面描述的这种接触模式适应于对硬表面的观察,并可达到较高的分辨率,但这种接触模式与样品表面相互作用较强,对于生物样品,由于它相对于云母,石墨及金等固体材料具有较大的柔软性,目前对其观察还没有达到足够高的分辨率,在针尖扫描时,有时还会造成样品表面的损伤。而对于吸附在坚硬表面的样品,在探针的作用下有时会被移动而不利于成像。对于生物材料,由于其表面较软如果采用接触模式,在不降低其分辨率的情况下,应尽量降低针尖与样品的作用力,以免造成表面损伤。

2.厂家的仪器的功能和特性是否满足我的科研要求?

详细阅读产品资料中的技术性能指标,不肯定时可将您的样品交给厂家要求试验做样,看看其结果是否满意再下结论;

3.该厂家的仪器所做出来的结果是否得到国内、国外核心期刊的认可?用该厂家的仪器在国内、国外核心期刊所发表的数量和质量如何?

有些厂家无法提供自己仪器经同行审议的、已经公开发表、有人负责任的应用成果,但却在网站上或宣传材料中陈列了一些不明出处或摘自我们或国外其他厂家仪器得到的结果,并煞有介事地就此对自家仪器的性能进行分析和推论,误导客户;

4.该厂家的仪器的市场占有率是多少?口碑如何?

您可以要求该生产厂家提供用户名单、联系方式;

5.该厂家的企业文化如何?背景如何?

请注意,有良好传统的厂家的产品在市场上是最有保障也是最受欢迎的;

6.该厂家的技术队伍、研发能力是否强大?售后服务、产品升级是否有保障?

更多的通过交流了解该厂家的实力和服务态度,条件许可的话,您可以到厂家处实地考察,最好带上您的样品,亲自到厂家处操作仪器对您的样品进行测试;

7.了解仪器的成像模式,特别重要的是,原子力显微镜(AFM)是否具备接触、轻敲、相移成像等多种工作模式?

8.了解仪器是否具备一些重要功能,如:

是否具备样品全自动逼进功能?一些仪器必须配合手动逼近,操作起来不胜其烦,而且很容易损坏探针

是否具有图形刻蚀模式和矢量扫描模式等纳米加工技术?

是否配备强大的在线控制软件和后处理分析软件?

能否对原来的仪器进行升级和二次开发?

扫描器最大扫描范围可达到多大?

可放置样品的最大尺寸的直径和厚度是多少?

有些功能您目前不一定用得到,但具备这些扩展能力,对于保护您的投资非常重要。

9.综合上述因素,整体考虑仪器的性价比如何,结合您的经费、偏好等因素做出选择。

二、签订合同时务必注意的事项:

1.签订合同时,您务必将关键参数及性能指标写入到验收条款中:

验收必须以国际通用标准为依据,避免轻信某些商家的过分吹嘘,到验收时以这样那样的理由降低验收标准甚至不验收,而买回来一堆废铁。

国际上公认的标准为:

STM:横向0.13nm垂直0.01nm(以石墨定标)

AFM:横向0.26nm垂直0.1nm(以云母定标)

有些厂家含混其词,将AFM的横向分辨率写为0.4nm,以回避原子分辨的验收标准。

2.必须在购买合同中声明电脑操作系统软件、在线控制软件和后处理分析软件都是正版软件,如果不事先约定,有些厂家就可能预装盗版系统软件,甚至其在线控制软件和后处理分析软件都是基于盗版软件开发的。